一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法与流程

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种人体平衡能力评估方法，特别涉及一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法。

背景技术：

平衡能力是身体素质的一种，指维持身体姿势的能力，特别在较小的支撑面上，控制身体重心的能力。平衡能力是一切静态与动态活动的基础能力，一直以来备受人们的关注，但是却无法快速有效地在常规环境下随时进行客观评估。目前常用的平衡测试仪主要有Balance Performance Monitor(BPM)、Balance Master、Equitest等，其中后两者价格过高，很难在临床上推广，更不可能被普通民众所接受。BPM价格适中可以在临床中应用，其原理为人站立在检测台上，压力传感器产生压力信号，通过计算机对人体重心变化的各种参数进行分析，评估出人体平衡能力，并将检测结果以图表的方式向用户展示。由于所需的设备如检测台、计算机等仍然较多，对于普通民众，要么需要购买整台专门仪器，要么只能到指定的医院去进行评估，这些都极大地限制了其使用范围，导致大众无法随时随地评估自己的平衡能力。在现代生活中，智能手机已成为大众普遍随身携带的通信工具。同时，核心处理器的运算速度不断增快和传感器的大量集成，使得基于智能手机的应用程序不断涌现，不再局限于娱乐和社交，而是扩展到生活的方方面面。基于此，如能研制出一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法，进而实现随时随地通过手机对自己平衡能力进行评估，将会为人体平衡能力的改善效果提供更理想的监测方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法，可使用户不受时间空间的影响，随时进行自身平衡能力的评估。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，现结合附图说明如下：一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法，包括以下步骤：

A、在数据采集模块中进行样本的数据采集与存储：利用手机中内置加速度传感器和姿态角传感器，通过手机操作系统提供的传感器访问接口获取被测试者手机实时的加速度和姿态角数据，并将其与测试时间进行实时显示，同时将此被测试者的所有数据存储于手机中；

B、建立人体平衡能力评价标准：先按步骤A随机采集n个被测试者维持运动过程中的各项原始数据存于手机中，形成n个样本数据；再对每个样本数据进行处理，获取各项原始指标及其相关性矩阵，从中选取具有相关性大于0.5的m项指标，检验统计量和Bartlett的球形度检验相伴率Sig判断是否适合进行因子分析；如果判断适合，则进行因子分析，提取出k个因子，同时以因子自身的系数矩阵和因子的权重作为评分标准；如果不适合，则重新选取原始指标，直到其满足进行因子分析的条件；

C、在用户设置模块中进行用户信息输入与保存：根据用户输入的名字、性别以及手机当前时间动态地对菜单进行初始化；检测到用户执行保存信息的操作后，传输数据给平衡能力评估模块保存；

D、在平衡姿势图显示模块中展示重心运动轨迹：先初始化雷达背景图和折线图背景图，并设定测试初始状态时人体重心的坐标值(x₀，y₀，z₀)；再由姿态角传感器得到手机绕xyz坐标系的三轴旋转的角度，并根据三个角度计算出旋转矩阵；由旋转矩阵和人体重心坐标值，得到在测试中的任意时刻人体重心在水平方向上的坐标值(x，y)及人体重心在竖直方向上的高度(z)；分别在雷达背景图上绘制重心在水平面上的投影，在折线背景图上绘制重心高度的变化，从而完整展示重心运动轨迹；将用户各项实时数据和最终维持平衡的时间传输给平衡评估模块；E、在平衡能力评估模块中实现平衡能力评估及用户成绩信息的保存：调用用户设置模块保存的个人基本信息和平衡姿势图显示模块获得的用户各项数据，得到被测人的m项原始指标，根据评分标准中的系数矩阵与各个因子权重得到人体平衡能力成绩，实现用户平衡能力的评估，进而根据个人基本信息和人体平衡能力成绩生成评估报告。

步骤A中，所述数据按多列存储，第一列为测试时间，其它列为相关物理量。

步骤B，所述各项原始指标分别为X轴加速度平均值、Y轴加速度平均值、Z轴加速度平均值、方位角标准差、俯仰角标准差、翻转角标准差和SVM平均值。

所述SVM为加速度幅度，定义如下，其中a_x，a_y，a_z表示x，y，z方向的加速度：

步骤B，所述判断的条件为：KMO>0.6且Sig<0.05。

步骤D，所述人体重心坐标值设定是以人体双脚中心为坐标原点，且手机和人体同坐标系相同。

步骤D，所述旋转矩阵的计算过程为：

绕z轴转动时，z轴旋转矩阵为：

式中：为当前时刻方位角与初始时刻方位角的差值；

绕x轴转动时，x轴旋转矩阵为：

式中：β为当前时刻俯仰角与初始时刻俯仰角的差值，

绕y轴转动时，y轴旋转矩阵为：

式中：θ为当前时刻滚转角与初始时刻滚转角的差值，

则旋转矩阵为：M_XYZ＝M_XM_YM_Z (5)。

步骤D，所述人体重心在水平方向上的坐标值(x，y)及人体重心在竖直方向上的高度(z)的计算公式为：

步骤E，所述人体平衡能力成绩由以下步骤计算出：

E1.将被测人的m项原始指标进行标准化处理，由于这m项指标中数值越大表示平衡能力越差，故其标准化公式为：

其中x_n为被测人第n项原始指标，μ为第n项原始指标所有样本数据的均值，σ为第n项原始指标所有样本数据的标准差；

E2.各指标的标准化值与其指标对应的系数(由系数矩阵提供)相乘，再相加得到各个因子得分f_i，即：

其中u_ni为第n项原始指标所对应的第i个因子的系数，共有m项原始指标；

E3.根据因子权重，进行加权汇总，即：

其中S_i％为第i个因子的权重；

得到用户的综合得分f后，进行百分制数值转换得到用户成绩，即平衡能力的综合得分。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1.与现有平衡测试仪相比，本发明首先不用专门购买专门的平衡能力测试设备，利用大众常用的智能手机就能完成平衡能力的评估；2.本发明不受时间、空间条件的影响，随时进行平衡能力的测试，容易推广，可以对自己的平衡能力进行长期监测。

附图说明

图1为本发明用户具体使用方式图；

图2为本发明实施例的用户平衡能力评估流程图；

图3本发明实施例的系统功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。

实施本发明人体平衡能力评估方法时，操作人测试姿势见附图1。人体在测试时，单脚站立，另一只脚抬起，一只手垂直向下，另一只手托住智能手机，使手机与人体重心位置处于同一高度，且手机屏幕与人体竖直方向垂直，在测试过程中保持两者相对位置不变。

本发明的具体实施流程如图2所示，采用Android Studio1.4开发。其内部的系统功能模块图如图3所示，包括数据采集模块、平衡姿势图显示模块、平衡能力评估模块和用户设置模块。

一种基于智能手机的人体平衡能力评估方法，包括以下步骤：

A、在数据采集模块中进行样本数据的采集与保存：首先，利用手机中内置的加速度传感器、姿态角传感器，通过SensorEventListener接口方法获取手机实时的加速度、姿态角数据，利用Date类的公共方法读取测试时间；再利用TextView类公共方法把加速度数据、姿态角数据以及测试时间进行实时显示，同时利用internal storage将此被测试者的所有数据以TXT文件存储于手机中。数据按多列存储，第一列为测试时间，其它列为相关物理量。

B、利用计算机软件SPSS(SPSS为IBM公司推出的用于统计学分析运算的软件产品)进行数据分析，建立人体平衡能力的评分标准：

首先，随机挑选40个被测试者，按步骤A采集其在维持运动过程中的各项数据(加速度数据和姿态角数据)，并保存于手机中；再将此40个被测试者的原始数据，导入到SPSS数据统计分析软件中，即形成40个样本数据，单个样本数据如表1所示，对每个样本数据进行处理，获取本设计的原始指标：X轴加速度平均值、Y轴加速度平均值、Z轴加速度平均值、方位角标准差、俯仰角标准差、翻转角标准差、SVM平均值(SVM定义见公式1)如表2所示，SVM计算加速度幅度以表征人体运动的剧烈程度，其值越大表明运动越剧烈。其定义如下，其中a_x，a_y，a_z表示x，y，z方向的加速度：

表1单个样本原始测得的实时数据

表2多个样本的原始指标值

接着，SPSS数据统计分析软件计算得到关于原始指标的相关性矩阵，从中选取具有相关性大于0.5的5项指标(Y轴加速度平均值，Z轴加速度平均值，俯仰角标准差，翻转角标准差，SVM平均值)，利用SPSS数据统计分析软件中的Kaiser-Meyer-Olkin检验统计量和Bartlett的球形度检验相伴率Sig判断是否适合进行因子分析，因子分析的KMO和Bartlett的检验中KMO值>0.5、Sig的值<0.05，同时提取的因子中各指标所占的比重均超过0.6，因此适合进行因子分析处理数据。进行因子分析，提取出2个因子，并以因子自身的系数矩阵和因子权重作为评分标准。

C、在用户设置模块中进行用户信息输入与保存：

首先，利用EditText公共方法完成信息的导入，并利用RadioGroup公共方法根据用户输入的名字、性别以及手机当前的时间来动态地对菜单进行初始化；再利用View类方法检测到用户执行保存信息的操作后，利用Activity类方法结合自定义数据连接类ApplicationTrans传输数据给平衡评估模块，由此模块进行保存。

D、在平衡姿势图显示模块中展示重心运动轨迹：

首先，自定义RadarBackground类初始化雷达背景图，自定义LineView类并加载横向滚动控件HorizontalScrollView初始化折线图背景图，并设定测试初始状态时人体重心的坐标值(x₀，y₀，z₀)(人体双脚中心为坐标原点，手机和人体具有相同坐标系)；再由姿态角传感器利用SensorManager类方法得到手机绕xyz坐标系的三轴旋转的角度，并根据三个角度计算出旋转矩阵，具体如下：

绕z轴转动时，z轴旋转矩阵为：

式中：α为当前时刻方位角与初始时刻方位角的差值。

绕x轴转动时，x轴旋转矩阵为：

式中：β为当前时刻俯仰角与初始时刻俯仰角的差值，

绕y轴转动时，y轴旋转矩阵为：

式中：θ为当前时刻滚转角与初始时刻滚转角的差值，

则旋转矩阵为：M_XYZ＝M_XM_YM_Z (5)

由旋转矩阵和人体重心坐标值，利用Matrix类方法得到在测试中的任意时刻人体重心在水平方向上的坐标值(x，y)及人体重心在竖直方向上的高度(z)。公式如下：

接着，利用handler类方法将这些坐标值数据实时发送给具有onDraw(Canvas canvas)画图功能的view视图类方法中，结合Paint和Canvas类方法分别在雷达背景图上绘制重心在水平面上的投影，在折线背景图上绘制重心高度的变化，从而完整展示重心运动轨迹，利用BaseBundle和Intent类方法传输用户各项实时数据和最终维持平衡的时间给平衡评估模块；

E、在平衡评估模块中实现平衡能力评估及用户成绩信息的保存：

首先，利用Intent类方法调用用户设置模块的个人基本信息和平衡姿势图显示模块获得的用户各项数据；再利用Math类方法得到被测人的5项原始指标，根据评分标准中的系数矩阵与各个因子权重得到人体平衡能力成绩，实现用户平衡能力的评估，具体计算过程如下：

a.将被测人的5项原始指标进行标准化处理，由于这5项指标中数值越大表示平衡能力越差，故其标准化公式为：

其中x_n为被测人第n项原始指标，μ为第n项原始指标所有样本数据的均值，σ为第n项原始所有样本数据的标准差；

b.各指标的标准化值与其指标对应的系数相乘，再相加得到各个因子得分f_i，即：

其中u_ni为第n项原始指标所对应的第i个因子的系数，如表3所示；

c.根据因子权重，进行加权汇总，即：

其中S_i％为第i因子权重，即表4中的方差百分比S_i％；

最终得到用户的综合得分f后，进行百分制数值转换得到用户成绩，即平衡能力的综合得分；

表3系数矩阵

表4因子权重

加载布局文件main_value.xml根据个人基本信息和人体平衡能力成绩生成评估报告。

本发明方法中平衡能力评估的结果如下表5所示：

表5各指标数值及评分成绩

在得到的数据中，按各加速度平均值和姿态角度标准差由大到小排序依次为被测人D，被测人C，被测人E，被测人A，被测人B；且成绩与此顺序相同。由于各加速度平均值和姿态角度标准差大表示在测试中身体移动最明显，其人体平衡能力相对较差。从而验证了本评估方法的合理性和效果。

本发明实现样本数据的采集，并分析样本数据建立人体平衡能力的评价标准；通过手机中传感器获得的实时姿态数据，并根据已建立的评分标准得出人体平衡能力评估结果。